波速測試技術在巖土工程勘察中的應用

袁 昕

(山西建勘巖土工程有限公司，山西 太原 030006)

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波速測試技術在巖土工程勘察中的應用

袁 昕

(山西建勘巖土工程有限公司，山西 太原 030006)

介紹了波速測試技術的工作原理，并以某火車站改建施工項目為例，闡述了巖土工程勘察設計中波速測試技術的應用方法，指出該技術能夠準確測量出巖土的彈性波速，為工程設計提供所需的地質數據。

巖土波速測試技術，剪切波，動力參數

0 引言

現今，在勘察眾多巖土的水利水電工程、工業建筑、鐵路工程等工程地質領域中被廣泛應用并取得較好施工效果的地震勘探測試技術之一的波速測試技術，由于在室內測量巖(土)體傳播中的S波剪切波和P波壓縮波的速度會有一定誤差存在，而該技術卻是原位測定這兩種速度，能夠克服這種誤差存在，并且還能有效地解決建筑場地類別的確定、場地土的承載力估算等許多地質問題，從而提供科學依據供場地工程進行評價地質、設計工程建筑等。

1 工程概況

本工程為某一火車站改建施工項目，位于山前沖積加海積相的平地。該工程項目的地層地質從下向上分別是由強風化云母片巖、粉質粘土、淤泥質粉質粘土、粉土、粉砂素填土構成。考慮到本工程建筑性質是公共事業，因此需要滿足抗震設計要求,對于施工場地土類別的識別和場地的卓越周期的估算將采取波速測試法進行鑒定。本工程將采取波速測試單孔檢層法。

2 工作原理

波速測試一般是被分為兩種，分別是普遍使用到的具有便捷測量方式，孔位只需一個的單孔檢層法和跨孔法兩種。測試垂直的鉆孔一種方法就是單孔檢層法，從鉆孔中檢波器所處的位置和震動來源點進行分類，可將單孔檢層法分為四種測量方式，分別是孔底法、孔中激發孔中接收法、孔中激發地表接收法以及最經常使用到的地表激發孔中接收法。

在實際施工測量中廣泛應用到的是由安置在孔內的檢波器將地面激發所產生出的彈性波進行接收的單孔檢層的地表激發孔中接收法。如果震動來源點使用的是叩板的地面的時候就可以同時激發正反向，從而形成Sh波，并結合180°差的剪切波震的原理確定出S波的初至時間，按照如圖1所示由垂直方向激發到孔口附近形成P波。分別設板中心水平距離孔口位置的長度為l；i和i+1測點垂直距離孔口位置的長度為hi，hi+1；在兩個不同深度中縱波所需要的時間分別為tpi，tpi+1；兩個不同深度的剪切波所需要的時間分別為ti，ti+1。并結合以下兩個公式將剪切波速度Vs和壓縮波速度Vp值計算出。

對于如果分辨剪切波S波與壓縮波P波這兩種波形，一般可以結合它們的特性進行識別確定：

1)相比較S波的速度而言，P波具有更快的傳播速度，并且P波是一種初至波;2)S波水平激發激振板兩頭的時候，具有反向的相位，而P波則是具有不變的相位;3)S波和P波距離一定深度的井口后,前者具有較低的頻率和較大幅度，而后者則是完全相反，頻率變高，波振幅變小；4)由于在測量的時候波的折射波可能會影響到淺部的高速地層截面，所以需要按照震源板距離孔口之間的長度標準作為測試最小的深度。

3 應用實例

3.1 測量方法

在實際測量現場中，首先要對施工現場進行整平，然后在距離1.5 m井口的地方放置2.5 m長,0.3 m寬,0.1 m厚度的激振板，并且按照井口中心剛好能夠正對著木板中垂線標準進行檢查激振板的位置，為了確保木板能夠相接觸到地面上，還需要將約500 kg～1 000 kg重的物體放置在激振板上才可以，這樣才能確保測量效果。測量的時候，需要對木板的兩頭進行多次的敲打產生出S波形，一直到能夠獲取清晰的S波形3次才可以，接著再對放置在井口一端的鐵板按照垂直角度的敲打，以便產生出P波。施工中使用工程地震儀和將震源產生的彈性波信號進行接收并被安置在一定深度的孔穴內的三分量檢波器共同構成的記錄儀，而接收到彈性波信號被三分量檢波器和相連接的電纜，傳輸給地震儀，地震儀將其數據記錄下，并儲存起來，確保能夠為后期處理數據提供需要。

3.2 測量結果

本工程是采取波速測試單孔檢層法進行Z2-17號孔和Z2-23號孔檢測，測量結果得出：Z2-17號孔覆蓋層厚度和等效剪切波速分別為28 m和206 m/s，而Z2-23號孔的覆蓋層厚度和等效剪切波速分別為30 m和203 m/s，結合設計規范要求可以得出該結論：本工程是一種中軟土的地土類型、Ⅱ級場地類別。首先設卓越周期為T，覆蓋層厚度為H，相應孔的等效剪切波速設置為Vse，結合公式T=4H/Vse計算出本施工Z2-17號孔和Z2-23號孔的卓越周期分別為T=4×20/206=0.388 3 s，T=4×20/203=0.394 1 s。這兩個數值和采取地脈動法進行測試計算測量出Z2-17號孔的T=0.386 7 s和Z2-23號孔的T=0.392 7 s的卓越周期比較吻合。因此大量工程實踐可以證明：快速有效的將施工場地的卓越周期T值計算出的方法就是公式T=4H/Vse。

3.3 利用波速法計算巖土的動力參數

本工程的動力參數的確定需要將實際測量所得出的剪切波速Vs和壓縮波速Vp代入到以下幾個公式進行計算得出。

其中,μ為泊松比；ρ為介質密度,g/cm3；Ed，Gd分別為動彈性模量和動剪切模量，GPa。表1是本工程施工動力參數測試結果表。

表1 本工程動力參數測量結果表

3.4 利用剪切波速法估算巖土的承載力基本值

表2是本工程的實際測量所得出的剪切波速Vs和其所對應的承載力基本值R(t/m2)關系。

表2 巖土剪切波速值與其對應的承載力基本值關系表

3.5 砂性土地震液化勢判別

考慮到地震7度基本烈度的前提下，嚴格按照《巖土工程勘察規范》標準要求判別15m深地場地范圍內的砂性土層的液化類別，首先需要按照下列公式計算出剪切波速度的臨界值，然后比較剪切波實際速度測量值和臨界值的大小情況，如果實際所測量出砂性土層的剪切波速度小于這個臨界值的時候，可以認定本工程的土層是一種液化的砂性土層，反之就是砂性土層就是不液化的。

其中,Vscr為剪切波速度的臨界值，m/s；Vs0為和土類相關的經驗系數；ds，dw分別為測量剪切波速度位置的深度和地下水的位置深度，m;本工程dw取4m;ρc為粘粒含量的百分率。表3是判別本工程地基砂性土層的類型結果表。

表3 砂性土剪切速度統計表

從表3中的數據可以得出：在15m深度范圍內；如果實際測量粉砂層剪切波速度的值都超過其相應剪切波速度臨界值，則可以初步判斷出本工程土層是不液化類型；反之，如果實際測量粉土層剪切波速度的值有一些比相應剪切波速度臨界值小，那就可以初步認定本工程的土層為一種液化的。

4 結語

準確地進行巖土勘察可以為場地工程評價地質提供科學依據，采取波速測試技術是可行的方法之一。文章通過結合某一火車站改建施工項目，針對場地為沖積加海積相的平地，采取波速測試單孔檢層法鑒定施工場地土類別。通過檢測結果準確判別本工程場地類別為Ⅱ級場地類別同時存在液化情況，為后續設計提供有效參考依據。

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[2] 王建能,魏國團.面波法波速測試在巖土工程勘察中的應用[J]．科技與企業，2014(1)：189.

[3] 唐廣慧．巖土工程勘察剪切波速測試技術分析[J]．低碳世界，2014(11)：148-149.

[4] 王瑞琦,王繼忠,姜伯宵.波速測試在巖土工程勘察中的作用分析[J]．科技視界，2014(12)：108-109.

Application of wave velocity testing technology in geotechnical engineering survey

Yuan Xin

(ShanxiConstructionSurveyGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030006,China)

The paper introduces wave velocity testing technology working principles, describes the application methods of wave velocity testing technology in geotechnical engineering survey design by taking the railway station transformation project as an example, and points out that: the above-mentioned technology can accurately measure geotechnical elastic velocity, which has provided some geological data for the engineering design.

geotechnical wave velocity testing technology, shearing wave, dynamic parameter

1009-6825(2017)11-0103-03

2017-02-08

袁 昕(1988- )，男，助理工程師

P624

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